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關(guān)于塑料發(fā)泡板機頭的機電一體化設(shè)計與研究
摘 要:用二次優(yōu)化的計算方法對線性等錐角岐管和可調(diào)間隙衣架式機頭流道的幾何參數(shù)進行了優(yōu)化計算,在此基礎(chǔ)上,通過更換口模、阻尼棒及口模調(diào)節(jié)裝置、溫度分區(qū)控制等機電一體化設(shè)計,成功開發(fā)了寬幅發(fā)泡擠出板機頭。
關(guān)鍵詞:衣架機頭;優(yōu)化計算;發(fā)泡板材;擠出
0 前言
塑料板材或片材在各行各業(yè)及人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用日益廣泛。而以往對板材成型的關(guān)鍵部件———擠板機頭的設(shè)計帶有一定的盲目性,多憑經(jīng)驗設(shè)計(特別是流道) ,要付出較大的經(jīng)濟代價,造成人力、物力和財力的浪費。
機頭設(shè)計時要考慮的因素很多,其目的就是如何保證聚合物熔體離開機頭時具有均勻一致的流動性、熔體壓力、溫度和泡核。要實現(xiàn)這一目標,必須對機頭流道的主要幾何參數(shù)進行優(yōu)化計算和機電有機結(jié)合,從多方面進行調(diào)節(jié),以便連續(xù)均勻地擠出各種發(fā)泡板材。
1 機頭流道幾何參數(shù)的優(yōu)化計算
1.1 幾何模型衣架機頭流道形狀寬幅制品的擠板機頭多采用“衣架機頭”,在探討衣架機頭的優(yōu)化計算時,選取成型工藝好、機械加工容易、應(yīng)用較廣的線性錐形岐管式衣架機頭作為研究的幾何模型[1 ] 。其流道形狀如圖1 所示。
1.2 衣架部分幾何參數(shù)的優(yōu)化計算如圖1 所示,衣架部分幾何參數(shù)包括:岐管始端半徑R0 、岐管末端半徑Rz 、扇形部分縫隙厚度H 和兩岐管間夾角2θA 。求解步驟如下:
(1) 按網(wǎng)格分析法將衣架機頭在Z 方向分割成N 等分微元,在X 方向分成8 個區(qū)段。
(2) 設(shè)岐管半徑按下面的線性方程變化[2 ]
根據(jù)經(jīng)驗給出適當?shù)募s束條件,就可以編輯合適的優(yōu)化計算程序。經(jīng)優(yōu)化計算后便可求出岐管始、末端半徑R0 和Rz ,扇形部分縫隙厚度H 和兩岐管的夾角2θA 。這樣,機頭衣架部分流道尺寸就被基本確定。
1.3 阻尼棒和模唇區(qū)幾何參數(shù)的二次優(yōu)化計算式(10) 與物料的流變參數(shù)m , n ,η,γ0 ,γ有密切關(guān)系,用它作為目標函數(shù)求得的衣架部分最佳幾何參數(shù)受到一定的局限性。因為在實際成型加工過程中物料和工藝條件是不確定的,影響流變參數(shù)的因素很多, 從生產(chǎn)實際出發(fā)要求所設(shè)計的機頭流道參數(shù)有較強的通用性和較為廣泛的適應(yīng)性。為此需要在上述衣架部分流道幾何參數(shù)優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上,對機頭其他部分流道尺寸(諸如阻尼棒區(qū)和模唇區(qū)的幾何參數(shù)) 進行二次優(yōu)化計算,用此優(yōu)化值設(shè)計或調(diào)節(jié)機頭其他部分參數(shù),使之適合不同物料和工藝的要求。
2 設(shè)計中的機電一體化
發(fā)泡板機頭設(shè)計成衣架式結(jié)構(gòu)所示,流道形狀像衣架形。發(fā)泡板機頭的基本要求是聚合物熔體沿流道寬度方向的流率均勻,能產(chǎn)生快速壓力降,出口模時沿寬度方向熔體溫度一致、壓力一致、發(fā)泡率一致。要滿足這一要求,在結(jié)構(gòu)方面,除流道結(jié)構(gòu)為衣架形外,對歧管的直徑、歧管張角和縫隙高度等尺寸要進行優(yōu)化計算。如圖2 所示,模唇可以更換以適應(yīng)不同厚度制品和不同發(fā)泡率需要,同時設(shè)計有口模調(diào)節(jié)裝置和阻尼棒及其調(diào)節(jié)裝置,使得阻尼棒和模唇處的流道尺寸設(shè)計成可調(diào)的,適時調(diào)節(jié)熔體沿寬度方向的流率分布。但是,熔體在流道中的流動性除了與流道的結(jié)構(gòu)與尺寸有關(guān)外,還與溫度場分布密切相關(guān)。溫度場由加熱與冷卻裝置控制,考慮到模具和熔體在不同位置的傳熱和散熱程度的不同,應(yīng)將機頭沿寬度方向分成多個加熱與冷卻區(qū)(本設(shè)計中1135m 寬機頭分為11 個區(qū)) ,另外就是在上下口模中引進恒溫油控制系統(tǒng)。實踐證明,機械結(jié)構(gòu)上的單方面考慮,還不能滿足設(shè)計要求,只有機械設(shè)計方面的綜合考慮,結(jié)合電氣控制,才能有效地控制機頭流道中熔體的壓力分布和流速分布,實現(xiàn)連續(xù)均勻生產(chǎn)發(fā)泡塑料制品的需要。并能通過調(diào)節(jié)機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電氣控制參數(shù)實現(xiàn)不同厚度制品不同發(fā)泡率的要求。
3 擠出制品泡孔結(jié)構(gòu)
為了檢驗本設(shè)計機頭的實際應(yīng)用情況,在擠出發(fā)泡生產(chǎn)線中反復調(diào)試,通過制品(發(fā)泡板材) 的發(fā)泡成型情況來檢驗,為此做制品橫斷面(沿寬度方向) 和縱向截面(沿流動方向) 的掃描電鏡如圖3 所示。圖3 (a) 和(b) 中的圖片是兩種螺桿轉(zhuǎn)速時橫斷面的泡孔結(jié)構(gòu),兩種螺桿轉(zhuǎn)速時橫斷面的泡孔結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出制品的泡孔為均勻分布的閉孔結(jié)構(gòu),說明該寬幅機頭的流動性是均勻的,而且當轉(zhuǎn)速較高些(如圖中的20rpm) ,即擠出壓力足夠大時,能得到均勻細密的微孔結(jié)構(gòu)。
4 結(jié)論
(1) 計算中采用非等溫冪律流體的流動方程作為本構(gòu)方程,這比以往等溫模型更接近實際。當然也使計算難度加大,但計算的精度提高。在機頭設(shè)計中,機頭寬度方向分為數(shù)個溫控區(qū),各區(qū)溫度均可獨立控制,因而實際上流動是非等溫的。
(2) 采用半徑呈線性變化的衣架岐管 。這樣大大方便了衣架機頭的機械加工,便于在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。
(3) 能適用多種物料的擠出加工。在設(shè)計中,設(shè)置了調(diào)節(jié)裝置。由于流道尺寸經(jīng)過二次優(yōu)化計算,加上實際擠出時還可通過調(diào)節(jié)裝置適當調(diào)節(jié)流道的尺寸,就使新研制的衣架機頭適合多種物料和制品的擠出,且能保證達到擠出制品的質(zhì)量和產(chǎn)量。
(4) 能為工藝條件的制定提供科學依據(jù)。因為用數(shù)值計算法可以預測衣架機頭的壓力、速度、停留時間分布以及擠出量,這就為擠出工藝條件的制定提供了第一手可靠資料。
(5) 能適用不同厚度和發(fā)泡率發(fā)泡板材的成型。設(shè)計中機電有機結(jié)合,除了優(yōu)化設(shè)計流道主要幾何尺寸外,通過調(diào)節(jié)口模調(diào)節(jié)裝置、阻尼棒及調(diào)節(jié)裝置、溫度分區(qū)控制、更換模唇、口模恒溫控制等多個環(huán)節(jié),可滿足一定范圍內(nèi)不同發(fā)泡制品的成型需要。
(6) 機頭的設(shè)計效果通過成型制品的泡孔結(jié)構(gòu)得到了檢驗。
參考文獻
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[ 4 ] 許澍華,王 麗1 擠板機頭的優(yōu)化設(shè)計[J ]1 北京化工大學學報,1997 , (4) :51 - 59.
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